无人机最简控制系统研究

摘要

无人机广泛的应用价值、尤其是在军事上的重要性已经得到国内外的高度重视,而无人机飞行控制系统是无人机能够安全飞行的基本前提.该文主要利用现代控制理论的方法研究无人机传感器系统最简配置时的最简控制系统.首先对对象特性进行建模,以长空无人机为例,将无人机机的运动抽象为6自由度刚体运动的12阶微分方程,并在此基础上对模型进行配平和线性化.随后介绍了该文控制律设计时采用的方法:现代控制理论多变量控制技术的线性二次型LQ方法,详细说明了线性二次型的理论、算法以及应用;并以法向过载控制模态为例,将线性二次型运用到飞行控制系统的控制律设计中.接下来主要研究了基于垂直陀螺和GPS,以及基于三轴角速率陀螺和GPS两种传感器配置情形的最简控制技术,并将线性二次型LQ技术运用到最简控制的控制律设计中.最后,控制增益分别在不同的平衡点处和非线性模型中进行仿真验证,验证控制律的设计在整个飞行包线范围内的鲁棒性.大量的仿真分析表明,最简控制在工程中是可实现的.

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章绪论

1.1引言

1.2飞行控制系统的发展及现状

1.3最简控制系统概述

1.4本文内容

1.5本文的主要贡献

第二章对象特性的建模

2.1苏联坐标体制下的无人机数学模型

2.1.1数学模型

2.1.2无人机空气动力的计算

2.2飞机模型的配平和线性化

2.2.1配平

2.2.2线性化

2.3小结

第三章线性二次型及其在控制律设计中的应用

3.1线性二次型LQ技术概述

3.2输出反馈线性二次型调节器LQR

3.2.1输出反馈线性二次型调节器描述

3.2.2输出反馈调节器LQR求解

3.2.3输出反馈调节器LQR求解的条件

3.3输出反馈线性二次型跟踪器（LQT)

3.3.1输出反馈线性二次型跟踪器LQT的结构

3.3.2指令跟踪问题的一般描述

3.3.3性能指标

3.3.4输出反馈线性二次型跟踪器的LQR求解

3.4改进性能指标的LQ技术

3.4.1限制反馈阵

3.4.2固定增益

3.4.3偏差加权

3.4.4时间加权

3.5法向过载控制模态的控制律设计

3.5.1法向过载控制增稳系统结构

3.5.2法向过载模态的控制律设计

3.6小结

第四章基于垂直陀螺和GPS的最简控制系统

4.1最简控制概述

4.2控制系统设计方法

4.3控制系统设计思想与控制结构

4.3.1总体思想

4.3.2控制结构

4.4纵向控制系统方案

4.4.1姿态控制回路

4.4.2高度控制系统

4.5横侧向控制系统方案

4.5.1荷兰滚控制模态(偏航阻尼器)

4.5.2滚转控制模态

4.5.3航迹控制模态

4.6纵向控制律设计

4.6.1姿态控制回路设计

4.6.2高度控制回路设计

4.7横侧向控制律设计

4.7.1荷兰滚和滚转控制回路设计

4.7.2航迹控制回路设计

4.8小结

第五章基于角速率陀螺和GPS的最简控制系统

5.1控制系统设计思想

5.2纵向控制系统

5.2.1高度控制系统控制策略与控制结构

5.2.2工程实现中的问题

5.2.3高度控制的控制律设计

5.3横侧向控制系统

5.3.1控制策略与控制结构

5.3.2控制律设计

5.4小结

第六章最简控制系统的仿真与分析

6.1线性模型仿真

6.2非线性模型仿真

6.2.1基于垂直陀螺和GPS配置的控制系统仿真

6.2.2基于三轴角速率陀螺和GPS配置的控制系统仿真

6.3小结

结束语

致谢

参考文献

附录